Kuantum mekanik etkilerini kullanarak bilgiyi işleyen bilgi işlem sistemleri olan kuantum bilgisayarlar, bazı hesaplama görevlerinde klasik bilgisayarlardan daha iyi performans gösterebilir. Bu bilgisayarlar, süperpozisyon ve dolaşma olarak bilinen kuantum etkileri nedeniyle birden fazla durumda (0, 1 veya her ikisi aynı anda) var olabilen kuantum bilgisinin temel birimleri olan kubitlere dayanır.
Son yıllarda geliştirilen kuantum bilgisayarların çoğu, son derece düşük sıcaklıklarda sıfır elektrik direnci sergileyen geleneksel süper iletkenlere, yani malzemelere dayanıyor. Güvenilir bir şekilde çalışmak ve süperiletkenlik sergilemek için, bu malzemeleri temel alan devrelerin milikelvin sıcaklıklarına kadar soğutulması gerekir.
Kuantum bilgisayarlarda her kübit genellikle kendi kontrol hattına ihtiyaç duyar. Bu, mühendislerin elektrik darbeleri (yani sinyal hatları) taşıyan birkaç kablo eklemesi gerektiği ve gerekli kabloların sayısının kubit sayısıyla birlikte artması gerektiği anlamına gelir. Kuantum bilgisayarları büyüdükçe, işlemcilerin oluşturulması ve güvenilir bir şekilde çalıştırılması zorlaştığından bu durum sorunlu olabilir.
Dijital kuantum hesaplama sistemleri geliştiren bir şirket olan Seeqc Inc.'deki araştırmacılar, yakın zamanda önemli ölçüde daha az kablolama gerektirmesine rağmen güvenilir bir şekilde ve milikelvin sıcaklıklarda çalışabilen yeni bir kuantum işlemciyi tanıttı. Bu işlemci, yayınlanan bir makalede tanıtılmıştır.Doğa Elektroniği, kübitlerin ve bunların kontrol elektroniklerinin iki ayrı ancak birbirine bağlı süper iletken çip üzerine entegre edildiği benzersiz bir tasarıma sahiptir.
Caleb Jorda, Jacob Bernhardt ve meslektaşları makalelerinde "Süper iletken kuantum hesaplama platformlarının geliştirilmesi, her bir kubiti kontrol etmek için ayrı sinyal hatlarına ihtiyaç duyulduğundan, önemli ölçeklendirme zorluklarıyla karşı karşıyadır" diye yazdı. "Bu kablolama ek yükü, oda sıcaklığındaki kontrol elektronikleri ile millikelvin sıcaklıklarında çalışan kübitler arasındaki düşük seviyedeki entegrasyonun bir sonucudur. Umut verici bir alternatif, kübitlerle bir arada bulunan kriyojenik süper iletken dijital kontrol elektroniklerini kullanmaktır."
Kablolama zorluğunun üstesinden gelmek
Bu araştırma ekibi, şimdiye kadar daha büyük-ölçekli kuantum işlemcilerin geliştirilmesini engelleyen kablolama sorunlarının üstesinden gelmek için yeni bir çoklu-çip modülü tasarladı. Bu modül, biri barındırma kubitleri ve diğeri kontrol elektronikleri olmak üzere iki ayrı çipten oluşur.
Araştırmacılar özellikle küçük nicemlenmiş manyetik sinyaller aracılığıyla çok kısa ve hassas elektrik darbeleri üreten süper iletken dijital devreler olan tek-akı kuantum kontrol elektroniklerini kullandılar. Bu devreleri barındıran çip, süperiletken devreleri içeren çipe, flip-çip bağlama olarak bilinen bir yaklaşım kullanılarak bağlandı.
Bu yaklaşım, çiplerin yüz yüze-yüze-yerleştirilmesini ve ardından mikroskobik metal tümsekler aracılığıyla birbirine bağlanmasını gerektirir. Jorda, Bernhardt ve meslektaşları tarafından geliştirilen çoklu-çip modülünün tamamı, onu milikelvin sıcaklıklarda tutan kriyojenik bir düzenek içinde çalışıyor.
Yazarlar, "Kubitlerin ve tek-akı kuantum kontrol elektroniğinin, çevirme-çip bağlama yoluyla tek bir çoklu-çip modülüne entegre edildiği aktif bir kuantum işlemci ünitesi sunuyoruz" diye yazdılar. "Sistemimiz, kontrol darbelerini birkaç kübite dağıtmak için dijital çoğullama çözmeyi kullanıyor, böylece kontrol hatlarının doğrusal ölçeklendirmesini kubit sayısına göre bozuyor. Bu yaklaşımla, %99'un üzerinde ve %99,9'a kadar tek-kübit aslına uygunluğu gösteriyoruz."
Lüks kuantum işlemcilere yeni bir yaklaşım
Bu araştırma ekibi tarafından tasarlanan kuantum işlemcinin, geçmişte piyasaya sürülen diğer birçok süper iletken kuantum işlemciye göre dikkate değer avantajları var. İlk testlerde, oldukça iyi performans gösterdiği ve kapsamlı kablolamaya ihtiyaç duymadan kübitler üzerinde mükemmel kontrol sağladığı görüldü.
Gelecekte, yeni tasarımın ölçeği büyütülerek birçok ek kübit içeren daha büyük kuantum işlemciler oluşturulabilir ve böylece potansiyel olarak daha karmaşık hesaplama sorunlarının üstesinden gelinebilir. Ayrıca, güvenilir bir şekilde çalışan ve ölçeklendirilmesi daha kolay olan diğer benzer çoklu- çipli kuantum modüllerinin tanıtımına ilham verebilir.
